Om människor vill resa runt i solsystemet måste de kunna kommunicera. När vi ser fram emot besättningsuppdrag till månen och Mars kommer kommunikationstekniken att utgöra en utmaning som vi inte har mött sedan 1970-talet.
Vi kommunicerar med robotuppdrag genom radiosignaler. Det krävs ett nätverk av stora radioantenner för att göra detta. Rymdfarkoster har relativt svaga mottagare, så du måste skicka en stark radiosignal till dem. De sänder också relativt svaga signaler tillbaka. Du behöver en stor känslig radioskål för att fånga svaret. För rymdfarkoster bortom jordens omloppsbana görs detta genom Deep Space Network (DSN), som är en samling radioteleskop specialdesignade för jobbet.
Ett fotografi från 1969 av CSIROs Parkes-radioteleskop. Kredit: CSIRO
Det enda större besättningsuppdrag vi har för närvarande är den internationella rymdstationen (ISS). Eftersom ISS bara kretsar omkring 400 kilometer över jorden är det relativt enkelt att skicka radiosignaler fram och tillbaka. Men när människor reser djupare ut i rymden kommer vi att kräva ett Deep Space Network som är mycket kraftfullare än det nuvarande. DSN pressas redan till sina datagränser, med tanke på det stora antalet aktiva uppdrag. Mänskliga uppdrag skulle kräva storleksordningar mer bandbredd.
För Apollo-uppdrag till månen, NASA utvecklade ett nytt radiokommunikationssystem känt som Unified S-band eller USB. Tidigare lågomloppsuppdrag använde separata radiokanaler för röst, telemetri och spårningsdata. Radioteleskop vid den tiden var inte tillräckligt känsliga för att fånga denna oberoende data från månens avstånd, så USB kombinerade dem till en enda dataström. Men även detta var inte tillräckligt kraftfullt för att fånga videosignaler från månen. Det tog Parkes radioteleskop, en av de största och känsligaste radioantennerna vid den tiden, för att fånga de suddiga, lågupplösta videorna från den första månlandningen.
Konstnärskoncept av en ny antennplatta för besättningsuppdrag. Kredit: NASA/JPL-Caltech
När vi återvänder till månen och sätter våra första fotspår på Mars, vill vi inte bara ha vetenskapliga data utan livevideoflöden, högupplösta bilder och till och med tweets från astronauterna. Föreställ dig att försöka strömma gigabyte med data mellan jorden och Mars. Inte ens det mest sofistikerade radionätverket klarar den nivån av bandbredd. Medan NASA arbetar med moderna radiodesigner kanske radiokommunikation inte uppfyller alla våra behov.
En ny studie tittar på ett alternativ. Den använder synligt ljus snarare än radio. Även om synligt ljus kan bära mer data på grund av dess kortare våglängder, sprids det också lättare och förlorar troheten över ett kortare avstånd. För att övervinna detta, föreslår teamet att kombinera signalen med en andra referenssignal. Det hela förs sedan genom en icke-linjär optisk fiber, som genererar en tredje signal som kallas en tomgångsvåg. Alla dessa tre förstärks sedan och skickas iväg. I andra änden fångas och bearbetas signalerna. Eftersom tomgångsvågen beror på de andra två signalerna kan den användas för att rekonstruera den ursprungliga signalen utan mycket dataförlust. I labbexperiment nådde teamet en datahastighet på mer än 10 Gb/s, vilket är tio gånger högre än nuvarande teknik.
Detta arbete är fortfarande mycket experimentellt, så det är för tidigt att säga om det kommer att lösa utmaningarna med mänskliga rymdutforskningar. Men vem vet, det kanske bara är tekniken som låter astronauter skicka Instagram-selfies från en annan värld.
Referens:Kakarla, R., Schröder, J. & Andrekson, P.A. ' En foton-per-bit-mottagare som använder nästan brusfri faskänslig förstärkning .'Ljus: Vetenskap och tillämpningarFlyg. 9, nr. 153 (2020)